1. 由“完美函数”的定义将问题转化为求导数不等式的恒成立问题
根据定义,若 g(x) 在 [2m,+∞) 上是“完美函数”,则 g(x) 和 G(x)=xg(x) 在 [2m,+∞) 上均单调递增。
因此,在区间 [2m,+∞) 上,g′(x)≥0 且 G′(x)≥0 恒成立。
2. 分析 $g(x)$ 的单调性,确定 $g'(x) \ge 0$ 的区间范围
求导得 g′(x)=ex+1−x1 (x>0)。
由于 g′′(x)=ex+x21>0,故 g′(x) 在 (0,+∞) 上单调递增。
又 g′(21)=e−1>0,所以当 x≥21 时,g′(x)>0。
因此,g(x) 在 [21,+∞) 上单调递增。所以要使 g(x) 在 [2m,+∞) 上单调递增,只需 2m≥21 即 m≥1。
3. 求 $G(x)$ 的导数,将其单调递增转化为研究分子函数 $h(x)$ 的正负
计算 G(x)=xex+x−lnx+1 的导数:
G′(x)=x2g′(x)x−g(x)=x2x(ex+1−x1)−(ex+x−lnx+1)=x2(x−1)ex+lnx−2
令 h(x)=(x−1)ex+lnx−2 (x>0)。
若 G(x) 在 [2m,+∞) 上单调递增,则在该区间内 h(x)≥0 恒成立。
4. 分析 $h(x)$ 的单调性,利用零点存在定理估算其零点范围
求导得 h′(x)=ex+(x−1)ex+x1=xex+x1。
当 x>0 时,h′(x)>0,所以 h(x) 在 (0,+∞) 上单调递增。
代入特殊值估算:
h(1)=−2<0,
h(23)=21e3/2+ln23−2≈21×4.48+0.405−2=0.645>0。
根据零点存在定理,h(x) 在 (0,+∞) 上有唯一零点 x0,且 x0∈(1,23)。
当 x≥x0 时,h(x)≥0,此时 G′(x)≥0。
5. 综合条件,确定整数 $m$ 的最小值
为了使 g(x) 与 G(x) 在 [2m,+∞) 上均单调递增,需要:
2m≥x0 且 2m≥21。
因为 x0>1>21,所以只需 2m≥x0,即 m≥2x0。
已知 1<x0<23,所以 2<2x0<3。
由于 m 为整数,因此 m 的最小值为 3。